Ветряные электростанции или ветрогенераторы - это устройства для преобразования энергии ветра в электроэнергию или в механическую, для обеспечения движения каких-либо механизмов (к примеру, водяного насоса). Прообразом современного ветрогенератора были ветряные мельницы, а с развитием технологий и прихода  электричества в нашу жизнь ветряные мельницы уже не только растирали зёрна в муку, или качали воду, но и стали вращать генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

 

Ветряные электростанции бывают промышленные, такие ветрогенераторы устанавливает государственные предприятия или большие энергетические компании для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Промышленные ветровые генераторы достаточно большие и мощные на сегодняшний день. Мощность отдельных станций достигает нескольких мегаватт. Однако, их не устанавливают по одному, а строят огромные ветропарки в районах, где ветер более подходящий для стабильной выработки электрической энергии, например, на открытых возвышенностях или на побережьях. Энергия от ветряков или поступает непосредственно в электросети или после преобразования в переменный ток . Стабильность и частоту вращения генераторов обеспечивают различные устройства, например, системы регулирования углов установки лопастей относительно набегающего потока ветра, так чтобы обороты ветроколеса, а значит и генератора были оптимальными для максимального КПД.

Ветряные электростанции в море

Так-же существуют и коммерческие ветрогенераторы, которые устанавливают с целью продажи электроэнергии, или обеспечения энергией различных производств в тех местах где не хватает собственных мощностей, или электросети отсутствую вообще. Такие ветроэлектростанции так же состоят из множества ветрогенераторов различной мощности. Энергия от таких ветрогенераторов может поступать напрямую в электросеть, если они вырабатывают стабильное переменное напряжение 220/380 вольт или более. Или ветрогенераторы используются для зарядки большого колличества аккумуляторов, с которых потом энергия преобразуется в переменное напряжение и подаётся в электрические сети.
  Существуют и обычные бытовые ветряки малой мощности для частного использования, для установки которых не требуется никаких разрешений, если высота мачты не превышает 25 метров и ветрогенератор не является помехой для воздушных судов. Эти ветрогенераторы низковольтные и их основная задача заряжать аккумуляторы с напряжением 12/24/48 вольт и уже из аккумуляторов энергия преобразуется в 220 вольт 50 Гц как в обычной электросети. Ветрогенераторы небольшой мощности,как правило, ставят для обеспечения электричеством  частные дома, дачи, подсобные хозяйства или для запитки небольших удаленных объектов.

 

 

Итак, ветрогенераторы приводятся в движение энергией ветра, но это еще далеко не всё. Ветрогенератор состоит из нескольких устройств и основные - это ветроколесо и генератор. Ветряки горизонтального типа обычно имеют трёхлопастные винты. Они работают за счёт подъёмной силы набегающего потока ветра. А вертикальные ветрогенраторы типа "Савониус"  вращаются за счёт давления ветра. Есть вертикальные ветряки использующие так-же подъёмную силу, например "Ротор Дарье" и другие ортогональные ветрогенераторы. У горизонтальных ветрогенераторов скорость вращения лопастей превышает скорость движения ветра обычно  в 5 (!) раз, что позволяет использовать генераторы меньших размеров, чем для вертикальных ветрогенераторов, так-как они не могут вращаться быстрее скорости ветра, за исключением ортогональных.

К примеру на ветрогенератор с диаметром ветроколеса 3 метра при скорости ветра 10м/с приходится 5.6 кВт ветровой энергии, но в механическую энергию вращения может преобразоваться максимум 50% энергии, для горизонтальных ветрогенераторов средний коэффициент преобразования энергии ветра 0.4, для вертикальных существенно ниже, для ветряков типа "Савониус" 0.1-0.25, а для ортогональных до 0.4.

Генератор с ветроколесом может быть соединён и  напрямую. Тогда обороты ветро-колеса и генератора будут одинаковые. Можно установить редуктор для повышения оборотов генератора. В конструкциях больших ветрогенераторов, которые ставятся в местах со стабильным и мощным  потоком ветра для поддержания устойчивого режима оборотов генератора используют конструкцию регулировки положения лопастей. Когда ветер усиливается, то лопасти поворачиваются в одну сторону увеличивая угол атаки набегающего потока ветра и ветро-колесо не набирает обороты, а когда ветер ослабевает, то наоборот, чтобы станция не снизила обороты лопасти поворачиваются на большую быстроходность. Так-же обороты могут поддерживаться увеличением или уменьшением нагрузки на генератор, или тормозной системой. Таким образом генератор работает на одних и тех-же оборотах и даёт стабильное напряжение и частоту переменного тока, например 220 вольт 50 Гц, хотя может выдавать и намного больше.

В небольших ветряках обороты генератора не стабилизируют так-как это слишком сложно. Нередко такие ветряки ставят на небольшую высоту в  районах, где ветер может периодически совсем пропадать и быть очень слабым. Для стабильной работы ветроэлектростанции используют аккумуляторы, генератор заряжает аккумуляторы когда есть ветер, а брать энергию с них можно,разумеется всегда, даже при полном штиле. Для защиты от ураганов применяют систему с уводом ветроколеса от ветра способом "складывания хвоста" или тормозят колесо электротормозом.

Для зарядки аккумуляторов между ветряком и АКБ ставится контроллер, который следит за зарядкой АКБ, и при полном заряде чтобы не испортить аккумуляторы контроллер или тормозит винт закорачивая обмотки генератора, или сбрасывает лишнюю энергию на балласт, в качестве которого могут быть установлены тэнны для отопления, или просто большой резистор. Ветрогенератор с контроллером выступает в роли зарядного устройства для блока аккумуляторов, а сама энергия берётся именно из аккумуляторов, а не от ветряка.

Но в аккумуляторах постоянное низкое напряжение 12/24/48 вольт, а для обеспечения дома нужны 230 вольт. Для этого устанавливается инвертор, который преобразует постоянное напряжение в переменное 220 вольт. Но можно обойтись и без инвертора если все потребители рассчитаны на питания от низкого напряжения. Например если массив АКБ на 12 вольт, то можно использовать любые электро-приборы на 12 вольт, автомобильные зарядные устройства, телевизоры, светодиодные ленты и лампочки на 12 вольт, авто-чайники, авто-холодильники и т.д..

 

 

Ветрогенераторы бывают двух основных типов, это горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные классические ветряки имеют пропеллер - обычно трёх-лопастной, а вертикальные ветряки имеют ветро-колесо вращающееся вертикально. Классические ветряки самые популярные так-как при самой низкой стоимости имеют самую высокую эффективность. Чем выше быстроходность ветроколеса, тем меньше, а значит и дешевле требуется генератор, и чем легче сам генератор тем меньше на его изготовление нужно материало-затрат. А так-же чем выше ветрогенератор относительно земли тем эффективней выработка электро-энергии.

 

 

Вертикальные ветряки типа "Савониус" или "Бочка" самые низко-оборотистые и малоэффективные ветряки, по-этому чтобы добиться той-же мощности что у горизонтального, такой ветряк придётся делать намного больше по размерам, ставить очень низко-оборотный генератор или мультипликатор, и так-как такую тяжёлую конструкцию не представляется возможным поднять на высокую мачту, то ветряк должен в общем по размерам в два раза больше чем горизонтальный, а генератор в пять-семь раз больше. От этого стоимость таких ветрогенераторов возрастает в пять раз в сравнении с классическими.

По этому ветряки типа "Савониус" не популярны и встречаются довольно редко, хотя в интернете довольно популярны из-за мифов о их эффективности, бесшумности и простоты. На самом деле КИЭВ таких ветряков всего 0.1-0.2 против 0.4 у классических ветяков, бесшумность тоже относительна так-как на ветрах от 7м/с шумит всё, даже деревья. Да и на счёт простоты тоже миф, намного проще на генератор поставить три лёгких и простых лопасти, чем ставить огромный ротор, который от урагана не защитить, и по этому нужна большая прочность конструкции.

На этот момент ветрогенераторы стоят достаточно дорого, так-как это сложное оборудование, не имеющее массового распространения, как например телевизоры или автомобили. Еще, кроме самого ветрогенератора, в комплект ветряной станции входят аккумуляторы, контроллер и инвертор, а так же мачта, тоже недешевая,хотя и необходимая часть ветрогенератора.

Ветрогенераторы мощностью 300 ватт очень слабые. Свои заявленные 300 ватт в час они вырабатывают при номинальном ветре 10-12 м/с, а если ветер 4-5 м/с, то выработка составит всего десятую часть. Эти ветряки вырабатывают слишком мало электроэнергииэнергии, которой хватит  на питание только мелкой электроники или экономичного светодиодного освещения. Даже не думайте, что такой ветряк сможет обеспечить энергией телевизор, холодильник  и свет во всём доме. Выработка энергии напрямую зависит от наличия ветра в месте установки станции.

Цены небольших ветровых турбин начинаются от 15 000 рублей за ветрогенератор с контроллером без аккумуляторов и мачты. А полный комплект состоящий из ветрогенератора, контроллера, аккумуляторов, инвертора и мачты обойдётся от 50 000 рублей и выше.
Для минимального обеспечения энергией небольшого дома или дачи  понадобится ветрогенератор мощностью от 1кВт и выше , выработка энергии опять-таки зависит от наличия ветра в вашей местности, она может составить 30-100 кВт в месяц. Такого ветрогенератора в принципе хватит на освещение, телевизор, компьютер, насос, а вот с круглосуточной работой большого холодильника ветрогенератор может не справится. Вообще когда ветрогенератор устанавливается для постоянного обеспечения энергией жилого помещения, где энергия требуется каждый день, то дополнительно устанавливают бензиновый или дизельный генератор, который в периоды длительного отсутствия ветра заряжает аккумуляторы. Генератор это необходимое устройство чтобы обеспечить полную бесперебойность автономной ветряной электростанции.

 

 

В среднем ветро-солнечная электростанция обеспечит электроэнергией все потребности частного дома, а это около 300 кВт/ч в месяц. В системе должен быть ветрогенератор(ы) общей номинальной мощностью около 3 кВт, и солнечные панели номинальной мощностью около 2 кВт. Стоимость такой электростанции  порядка  350 000 рублей.